Экология

Вслед за легковыми автомобилями, автобусами и магистральными грузовиками в США и Евросоюзе постепенно вводятся нормы, ограничивающие токсичность отработавших газов (ОГ) двигателей дорожно-строительных машин и прочей техники, не предназначенной для эксплуатации на дорогах общего пользования, – все они называются внедорожными машинами. В отличие от норм Euro III, IV, V и т.д. для легковых и грузовых магистральных автомобилей, экологические нормы Евросоюза для внедорожной техники называются Stage III и IV (в США – Tier 3 и 4). Следует заметить, что нормы Евросоюза во многом гармонизированы с нормами США, а также Японии.

В нашей стране нормы для внедорожной техники пока не введены, но работа по их подготовке ведется, и, несомненно, в обозримой перспективе они вступят в силу.

В настоящее время в Евросоюзе поэтапно вводятся нормы Stage III. Stage IIIA уже вступили в силу для всех категорий (новых) машин (см. табл. 1).

 

Следующие нормы – Stage IIIB и Stage IV – планируется ввести позже (см. табл. 2 и 3), причем сроки введения и сами требования могут корректироваться в зависимости от готовности промышленности (которая серьезно изучается специальной компетентной комиссией Евросоюза) выполнить их требования.

 

 

Существуют еще нормы Stage для судовых и железнодорожных двигателей, но мы их в этой статье касаться не будем.

 

Опыт введения норм Euro свидетельствует: с ужесточением ограничений ухудшается топливная экономичность двигателей, т.е. возрастает расход топлива (см. график). Очевидно, что с введением норм Stage будет происходить (и уже происходит) то же самое – экономичность двигателей ухудшается из-за дополнительных затрат на дожигание сажи в сажевых фильтрах, на преодоление возросшего противодавления в системе выпуска, оснащенной дополнительными агрегатами очистки ОГ. Выполнение требования по снижению содержания NO_x в ОГ на 80% может привести к повышению расхода топлива на 5%.

 

Работа ученых и инженеров-двигателистов по улучшению экономичности и экологичности дизельных двигателей ведется по следующим направлениям.

1. Прежде всего, совершенствуется процесс сгорания. По-прежнему не исчерпан резерв возможностей механических систем впрыска: пример тому – двигатели Euro V, разработанные фирмой TATRA, известны подобные разработки и других компаний. Все шире применяются системы Common Rail с электронным управлением и увеличенным давлением впрыска. Большие возможности предоставляет многократный впрыск с электронным управлением и повышение точности цикловой подачи, благодаря которой топливо сгорает более полно и превращается в полезную работу – повышается КПД и уменьшается токсичность ОГ. Имеется потенциал и у предкамерного впрыска, который позволяет понизить концентрацию NO_x в ОГ, хотя и несколько ухудшает топливную экономичность. Применение пьезофорсунок позволяет увеличить скорость срабатывания, точность дозирования и управления процессом впрыска, а также улучшить приемистость двигателей. Общая тенденция – стремление к повышению точности управления процессом сгорания и увеличение давления в системах впрыска (1600...>2200 бар).

2. Совершенствование конструкции двигателей позволяет значительно повысить давление турбонаддува. Применение турбин с перепускным клапаном и с изменяемой геометрией, а также двухступенчатого наддува в сочетании с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха и рециркуляцией отработавших газов позволяет не только повысить мощность, крутящий момент и номинальную частоту вращения дизелей, но и существенно уменьшить расход топлива и содержание в ОГ окислов азота.

3. Также имеется потенциал уменьшения расхода топлива, особенно на режимах частичных нагрузок, за счет уменьшения потерь на трение в двигателе (использование моторных и трансмиссионных масел уменьшенной вязкости), использования вискомуфт и электроприводов, отключающих не нужные в данный момент агрегаты (например, вентиляторы); электронных систем, автоматически выключающих двигатель, когда машина не работает, и снова включающих его при необходимости (для машин, работающих с частыми остановками).

Следует заметить, что поскольку тепловыделение у двигателей Stage IV увеличивается по сравнению даже с двигателями Stage IIIB, в новых машинах будет увеличиваться мощность систем охлаждения.

 

После введения очередных норм Stage с конвейеров машиностроительных заводов будут сходить «экологичные» дорожно-строительные машины. Но в процессе эксплуатации изначальный уровень токсичности ОГ у них будет неизбежно ухудшаться вследствие износа двигателя, его топливной аппаратуры и агрегатов, очищающих ОГ в системе выпуска. А поскольку дорожно-строительные машины эксплуатируются по много лет, постепенно будет накапливаться масса машин, совершенно не отвечающих действующим нормам, а самое главное – отравляющих воздух вредными выбросами.

Вопрос введения контроля ОГ магистральных грузовиков в эксплуатации уже близок к решению и в США, и в Евросоюзе.

В вопросе регламентации токсичности ОГ внедорожных машин в эксплуатации больше всех продвинулись США. Американское агентство по защите окружающей среды (ЕРА) еще в 2001 г. создало портативную бортовую контрольную систему SPOT, измеряющую токсичность ОГ внедорожных машин. Также ЕРА получен патент на систему контроля в реальном времени токсичности ОГ для внедорожных машин, известную под аббревиатурой ROVER. Кроме того, опытный грузовик ЕРА был оснащен портативной системой измерения токсичности компании Sensors Inc. и совершил испытательный пробег от Детройта до Сан-Диего и обратно длиной 7700 км. Следовательно, в США системы, измеряющие токсичность внедорожных машин в эксплуатации, имеются и можно реально вводить соответствующие нормы, разработка которых активно ведется.

Евросоюз пока только планирует исследовательский проект, на основе которого будут разработаны нормы по бортовым системам измерения токсичности мобильных дорожных машин.

 

Следует напомнить, что для выполнения норм токсичности ОГ топливо также должно соответствовать определенному стандарту. В настоящее время в нормах Stage IIIA уровень содержания серы в топливе для внедорожных машин установлен в 2000 ррм (0,2% по массе). Однако введение в действие норм Stage IIIB потребует не только значительного снижения уровня содержания серы в топливе, но и приведения в соответствие со стандартом Евросоюза EN590 других параметров топлив, применяемых в эксплуатации: смазывающих свойств, цетанового числа, вязкости и содержания полиароматических гидрокарбонатов. Еврокомиссия предлагает к 31 декабря 2009 г. ограничить содержание серы в топливе в 10 ррм для всех сухопутных внедорожных машин. Как известно, в России качество топлива значительно уступает европейскому. Несмотря на гигантские прибыли, полученные нефтяной промышленностью от сверхвысоких цен на сырье, нефтеперерабатывающие заводы не были своевременно модернизированы, и поэтому в связи с отсутствием топлива нужного качества перспектива перехода наших внедорожных машин на европейские нормы Stage весьма неопределенна.